面向計算思維的大學計算機基礎教育教學改革

王亞杰+尹航+李飛+王曉巖+郭建新

摘 要：針對計算思維培養的落地問題以及部分地方高校應用性人才培養的轉型問題，提出將計算機博弈案例與教學內容深度融合，開展新形態化的教材建設和基于計算機博弈的科技創新活動，結合沈陽航空航天大學的教學實際，構建以計算思維為主線的寬、專、融相結合的計算機基礎課程新體系。

關鍵詞：計算思維；計算機博弈；應用項目；創新能力

0 引 言

隨著計算機技術、互聯網技術和人工智能技術的快速發展，大學計算機基礎教學在人才培養中發揮著越來越突出的作用。美國卡內基·梅隆大學周以真（Jeannette M. Wing）教授于2006年提出了計算思維概念[1]，她認為，計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會（以下簡稱教指委）于2010年7月發表了聯合聲明[2]，正式提出：要旗幟鮮明地把計算思維能力的培養作為計算機基礎教學的核心任務，加強課程體系和教學內容的研究，要讓學生像計算機科學家那樣去思維。

計算思維為計算機基礎教學提出了新的機遇和挑戰，有了計算思維的課程指導思想后，很多教育專家開始研究計算思維的落地問題[3-5]，專家們普遍認為：計算思維的落地就是如何在計算機教學內容與教學方法上提高學生用計算機解決實際問題的能力，即問題的求解、系統設計以及人類行為理解等[6]。基于此，構建適合引導和驅動計算機教學的項目和尋找更能激發學生興趣、積極性的案例成為我們必須面對的問題。

1 計算機博弈項目是計算思維培養的重要載體

在2016世界人工智能科學誕生60周年之際，谷歌公司的AlphaGO圍棋軟件與世界圍棋冠軍李世石上演了“世紀人機大戰”。2017年伊始，Master圍棋網測又取得了60場全勝的戰績，隨后，卡內基·梅隆大學的Libratus在德州撲克比賽中輪流擊敗了4名頂尖人類高手，人工智能再次引發了世界范圍內的研究與開發熱潮。目前很多學者認為：人類社會正在從“互聯網+”向更高階的“人工智能+”躍遷，智能科學與技術已經成為促進所有學科發展的重要因素，計算機博弈是人工智能領域的重要研究方向[7]。

計算機博弈項目涉及的方法主要包括：博弈問題的提出、棋盤的數據描述、棋面的評估模型、搜索算法的選擇、算法的實現與優化、人機交互處理等方面，這些內容剛好與計算思維的思想相一致，非常適合培養學生的計算思維能力。

一段時間以來，學生網游上癮困惑著家長和教育工作者，以何種方式引導青年學生遠離網游以及網游的魅力一直是不解之謎。而多個高校的實踐證明，計算機博弈項目能迎合青年學生的愉悅、冒險、好奇和高對抗需求，讓他們在快樂中分析、編程、斗智，既長知識，也長能力，既培養了計算機實踐與創新能力，也培養了計算思維、科研思維和團隊合作精神。

學會將人的思維過程用計算機來實現，學會處理相關的問題，學會做好最優決策，這對于所有學生來說都是有助益的。計算機博弈項目是培養學生實踐與創新能力的應用型項目，更是培養大學生計算思維的重要載體。

2 新課程體系與課程內容改革

現有的計算機基礎課程體系沒有充分考慮計算思維和創新思維能力的培養，也沒有突出寬、專、融的教學特點，并且課程內容陳舊。2015年教指委推出了新版的《大學計算機基礎課程教學基本要求》（以下簡稱基本要求）[8]，指出了新的歷史時期計算思維能力的培養將成為大學計算機基礎教學的新常態，對課程體系、教學目標和內容進行了全面闡述。

依據基本要求和部分學校的改革實踐[9-10]，提出了適合沈陽航空航天大學應用型人才培養的寬、專、融相結合的大學計算機基礎課程新體系（見表1）。新的課程體系以計算思維為主線，以培養學生的計算思維意識、計算思維方法和計算思維能力為目標，分為3個層次，每個層次設置不同的課程。隨著課程體系的重新構建，各類課程的教學內容也重新進行了調整，例如：在第1層次，減少了Office方面的內容，增加了動手實驗和Python內容；在第2層次，取消了VF內容，增加了C#內容；在第3層次增加了基于計算機博弈的科技創新平臺的內容。

2.1 大學計算機基礎課程內容改革

在大學計算機基礎課程中，主要設置了4個模塊：①計算機系統、網絡與操作系統；②信息編碼與信息處理技術；③數據庫基礎；④計算思維、算法與程序設計初步。在第4部分中，加入了排序算法、黎曼積分、機器博弈、旅行商、哥尼斯堡七橋等常用問題的算法。還特別增加了Python語言部分[11]，通過求解三角形面積，引出了順序、選擇和循環結構的基本用法；通過求解π的值，引出了蒙特卡羅方法和公式方法；通過蟒蛇的繪制，引出了Turtle庫的使用方法。通過以上內容的學習，學生可以對程序設計的基礎知識和利用計算思維解決問題的方法有一個初步的了解，初步培養學生程序設計的基本能力和計算思維意識。

以全面開放的形式設置了3個專項實驗：計算機拆裝、操作系統安裝和計算機組網，通過學生親自動手實驗，提高學生對計算機硬件的認知能力和計算機維護能力。

2.2 計算機程序設計課程內容改革

在計算機程序設計課程中，本著為專業服務、與時俱進的思想，將課程設置成3個模塊：C#語言主要面向航空類專業和創新實驗班學生；VB語言主要面向文管類和安全類專業學生；C語言主要面向電子、自動化、材料、機械類專業學生。在開課過程中允許學生跨專業選課，學生可以選擇更適合自己的語言或多種語言同時學習。

為了突出實踐能力的培養，課程內容中增加了8個實驗學時，專門用于綜合性程序設計實驗，該實驗由3～4人組成的小組共同完成。在期初的時候進行動員，在期中的時候布置實驗題目，在期末的時候進行答辯驗收。通過綜合實驗，學生初步具備了利用所學知識解決實際問題的能力，培養了學生計算思維方法和團隊協作精神。

2.3 將計算機博弈案例與教學內容深度融合

為了調動學生的學習積極性，將學生喜歡的計算機博弈項目作為案例融入教學中[12-13]，使學生在興趣與主動學習中領悟計算思維。

在大學計算機基礎課程中，講授了計算機博弈的發展與競賽概況、計算機博弈的空間復雜度與搜索復雜度、蒙特卡羅方法等。

在計算機程序設計課程中，以具體項目的形式為學生講授了計算機博弈的評估方法、搜索算法、棋盤的數據表示與可視化制作等內容。

在計算機綜合訓練課程中，我們設計了與計算機博弈問題相關的課設題目，例如：愛恩斯坦棋的人人對弈平臺設計、幻影圍棋的開局設計、局面評估的建模方法等。通過博弈案例建模和典型算法設計，幫助學生掌握使用計算機技術解決博弈問題的途徑和基本方法，為學生進一步開展計算機博弈科技活動打下堅實基礎。

3 新形態化的教材建設

團隊人員以《VB程序設計教程》為切入點，進行了新版教材的建設。教材的主要特點是新形態、立體化、數字化和案例式。除了紙質版教材，還在網絡平臺上發布了數字化教學資源，主要包括教學課件、案例素材、拓展案例、微視頻、實驗素材、參考資料等，這些資源非常有利于學生自主學習、協作學習和探究性學習。

微視頻資源是針對重要知識點建設的，每個微視頻大約3～5min，微視頻的二維碼印制在教材的相應章節上，學生可以通過手機掃描訪問，實現了基于移動互聯網的學習方式。微視頻特別適合學生利用碎片化時間進行輔助式學習。

教材中的案例遵循5結合原則：①與數學知識相結合。例如：積分計算、矩陣運算、函數曲線等，都是學生熟悉的問題。②與趣味性題目相結合。例如：抽獎活動、分糖果游戲、開心農場等，都是學生喜歡的小項目。③與實際應用相結合。例如：高考錄取、學生績點計算、打氣筒模擬、課堂點名等，都是學生經常面對的實際問題。④與專業知識相結合。例如：曲柄滑塊機構，這是機械類專業學生應掌握的典型機構。⑤與計算機博弈知識相結合。例如：博弈搜索算法、棋盤的可視化設計等。通過有興趣的教學案例引發學生深入學習與研究的積極性，也體現了寓教于樂的教學方式。

4 開展計算機博弈科技活動

沈陽航空航天大學從2011年引入計算機博弈項目以來，團隊人員依托博弈項目，深入開展了寓教于樂、寓教于研、以研促教、以賽促學的創新人才培養模式[14]。

1）開展博弈科技研究和“大創項目”工作。

基于計算機博弈項目，很多老師開展了科技研究，并將科研成果應用于教學中。建立了博弈科研梯隊，教師既能對博弈活動起到組織、指導和護航作用，又能在計算機博弈的科研中勇攀高峰，形成學科制高點，為科技攻關和實際應用創造條件。開展了計算機博弈科技社團工作，社團成員在老師的指導下，既可以參加科研課題，也可以組隊申報大學生創新創業訓練項目（簡稱大創項目）。學生與老師合作開展科技研究、撰寫論文，形成了良好的學習與科研氛圍。

2）開展計算機博弈競賽工作。

計算機博弈項目具有喜聞樂見、挑戰無窮的特點，深受學生喜歡。學校鼓勵學生組成不斷吐故納新的代表隊，支持學生參加各類計算機博弈競賽（校級、省級、國家級和國際級）。到目前為止，共組織了6屆校級計算機博弈比賽，平均每年參加人數達200余人。校賽選拔后組織集訓，備戰全國比賽，共組織學生參加了6屆全國計算機博弈大賽和1次國際機器博弈大賽，營建了良好的校園計算機創新文化氛圍。

5 取得的成效

1）學生課程成績提升。

以計算思維為主線的教學改革方案使學生受益頗多，每年有4 000名學生學習計算機課程，學生課程成績提高較大，例如：計算機程序設計課程平均成績提高15%，大學計算機基礎課程平均成績提高10%。在期末對學生進行問卷調查時，大部分學生表示學習收益較大，對計算機技術的理解和利用計算機技術解決問題的能力都有較大提升。

2）學生競賽成績優異。

隨著研發能力的不斷增強，學生參加的計算機博弈競賽項目也越來越多，現已達到12項，包括六子棋、點格棋、蘇拉卡爾塔棋、亞馬遜棋、幻影圍棋、不圍棋、愛恩斯坦棋、軍棋、國際跳棋、海克斯棋、斗地主、橋牌。近幾年累計獲省級以上獎項100余項，累計獲冠亞季軍20項，其中幻影圍棋、亞馬遜棋、軍棋、六子棋項目都曾獲得過全國冠軍獎項，總體競賽成績位居全國前幾名，既提高了大學生的計算機創新能力，也促進了我國計算機博弈事業的發展，在國內高校中產生了較好影響。

3）學生科技成績突出。

基于計算機博弈項目，學生與老師合作在CCDC國際會議的機器博弈（Computer Game）專題上已發表論文25篇，表2是發表的部分學術論文。學生在老師的指導下申報了大創項目30多項，表3是部分大創項目。

6 結 語

計算思維的理論研究在我國已經走過了6年多，現在應該是全面落地的時候。我們本著與時俱進、為專業服務的指導思想，調整了各門課程的教學內容，引入了Python、C#等程序設計語言，將學生喜歡的計算機博弈項目作為教學案例與課程內容深度融合，實現了競賽與教學相結合的教學新模式。計算機博弈項目具有喜聞樂見、挑戰無窮的特點，特別能引發青年學生的好奇心與研究熱情，廣泛開展基于計算機博弈項目的科技與競賽活動，較好地培養了學生的創新精神和科研思維。計算機博弈項目是非常好的培養學生計算思維的重要載體。筆者希望本文能對高校的計算機教學提供一種參考，更希望計算機博弈能在更多的高校生根、發芽、開花和結果。

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（見習編輯：景貴英）